fbpx
维基百科

球谐函数

球谐函数拉普拉斯方程球坐标系形式解的角度部分。在古典場論量子力学等领域广泛应用。

函数的推导 编辑

本微分方程的推导 编辑

球坐标下的拉普拉斯方程式:

 
 
實值的球諧函數 Ylm,l = 0 到 4 (由上至下),m=0 到 4(由左至右)。負數階球諧函數 Yl,-m 可由正數階函數對 z-軸轉 90/m 度得到。

利用分离变量法,设定   。其中 代表角度部分的解,也就是球谐函数

代入拉普拉斯方程,得到:

 

分离变量后得:

  ,整理得 

本征方程的求解 编辑

这里, 是一个以 为周期的函数,即满足周期性边界条件 ,因此 必须为整数。而且可以解出:

  

而对于 的方程,进行变量替换    ,得到关于 的伴随勒让德方程。方程的解应满足在 区间上取有限值,此时必须有 ,其中 为自然数,且 。对应方程的解为 。即可以解出:

  

故球谐函数可以表达为:

  

其中N 是归一化因子。

經過歸一化後,球谐函数表達為:

 

这里的   称为    的球谐函数。以上推导过程中, 虛數單位 伴随勒让德多项式

其中  用方程式定義為:

 

  勒讓德多項式,可用羅德里格公式表示為:

 

前几阶球谐函数 编辑

        極坐標中的表達式 直角坐標中的表達式 量子力學中的記号
0 0          
1 0          
1 +1            
1 -1          
2 0          
2 +1            
2 -1          
2 +2            
2 -2          
3 0          
3 +1            
3 -1          
3 +2            
3 -2          
3 +3            
3 -3          

 

 

 

 
 
 

 

 
 
 
 
 

参见 编辑

球谐函数, 是拉普拉斯方程的球坐标系形式解的角度部分, 在古典場論, 量子力学等领域广泛应用, 目录, 函数的推导, 本微分方程的推导, 本征方程的求解, 前几阶, 参见函数的推导, 编辑本微分方程的推导, 编辑, 球坐标下的拉普拉斯方程式, displaystyle, nabla, over, partial, over, partial, left, partial, over, partial, right, over, theta, partial, over, partial, theta, left, . 球谐函数是拉普拉斯方程的球坐标系形式解的角度部分 在古典場論 量子力学等领域广泛应用 目录 1 函数的推导 1 1 本微分方程的推导 1 2 本征方程的求解 2 前几阶球谐函数 3 参见函数的推导 编辑本微分方程的推导 编辑 球坐标下的拉普拉斯方程式 2 f 1 r 2 r r 2 f r 1 r 2 sin 8 8 sin 8 f 8 1 r 2 sin 2 8 2 f f 2 0 displaystyle nabla 2 f 1 over r 2 partial over partial r left r 2 partial f over partial r right 1 over r 2 sin theta partial over partial theta left sin theta partial f over partial theta right 1 over r 2 sin 2 theta partial 2 f over partial varphi 2 0 nbsp nbsp 實值的球諧函數 Ylm l 0 到 4 由上至下 m 0 到 4 由左至右 負數階球諧函數 Yl m 可由正數階函數對 z 軸轉 90 m 度得到 利用分离变量法 设定 f r 8 f R r Y 8 f R r 8 8 F f displaystyle f r theta varphi R r Y theta varphi R r Theta theta Phi varphi nbsp 其中Y 8 f displaystyle Y theta varphi nbsp 代表角度部分的解 也就是球谐函数 代入拉普拉斯方程 得到 8 F r 2 d d r r 2 d R d r R F r 2 sin 8 d d 8 sin 8 d 8 d 8 R 8 r 2 sin 2 8 d 2 F d f 2 0 displaystyle Theta Phi over r 2 d over dr left r 2 dR over dr right R Phi over r 2 sin theta d over d theta left sin theta d Theta over d theta right R Theta over r 2 sin 2 theta d 2 Phi over d varphi 2 0 nbsp 分离变量后得 1 R d d r r 2 d R d r l 1 F d 2 F d f 2 m 2 l 1 8 sin 8 d d 8 sin 8 d 8 d 8 m 2 sin 2 8 0 displaystyle begin cases dfrac 1 R dfrac d dr left r 2 dfrac dR dr right lambda dfrac 1 Phi dfrac d 2 Phi d varphi 2 m 2 lambda dfrac 1 Theta sin theta dfrac d d theta left sin theta dfrac d Theta d theta right dfrac m 2 sin 2 theta 0 end cases nbsp 整理得 r 2 R 2 r R l R 0 F m 2 F 0 sin 8 d d 8 sin 8 8 l sin 2 8 m 2 8 0 displaystyle begin cases r 2 R 2rR lambda R 0 Phi m 2 Phi 0 sin theta dfrac d d theta sin theta Theta lambda sin 2 theta m 2 Theta 0 end cases nbsp 本征方程的求解 编辑 这里 F displaystyle Phi nbsp 是一个以2 p displaystyle 2 pi nbsp 为周期的函数 即满足周期性边界条件F f F f 2 p displaystyle Phi varphi Phi varphi 2 pi nbsp 因此m displaystyle m nbsp 必须为整数 而且可以解出 F e i m ϕ displaystyle Phi e im phi nbsp m Z displaystyle m in mathbb Z nbsp 而对于8 displaystyle Theta nbsp 的方程 进行变量替换 t cos 8 displaystyle t cos theta nbsp d t sin 8 d 8 displaystyle dt sin theta d theta nbsp t 1 displaystyle t leqslant 1 nbsp 得到关于t displaystyle t nbsp 的伴随勒让德方程 方程的解应满足在 1 1 displaystyle 1 1 nbsp 区间上取有限值 此时必须有l l l 1 displaystyle lambda l l 1 nbsp 其中l displaystyle l nbsp 为自然数 且l m displaystyle l geqslant m nbsp 对应方程的解为P ℓ m t displaystyle P ell m t nbsp 即可以解出 8 P ℓ m cos 8 displaystyle Theta P ell m cos theta nbsp l N l m displaystyle l in mathbb N l geqslant m nbsp 故球谐函数可以表达为 Y ℓ m 8 f N F f 8 8 N e i m f P ℓ m cos 8 displaystyle Y ell m theta varphi N Phi varphi Theta theta N e im varphi P ell m cos theta nbsp l N m 0 1 2 l displaystyle l in mathbb N m 0 pm 1 pm 2 ldots pm l nbsp 其中N 是归一化因子 經過歸一化後 球谐函数表達為 Y ℓ m 8 f 1 m 2 ℓ 1 4 p ℓ m ℓ m P ℓ m cos 8 e i m f displaystyle Y ell m theta varphi 1 m sqrt 2 ell 1 over 4 pi ell m over ell m P ell m cos theta e im varphi nbsp 这里的 Y ℓ m displaystyle Y ell m nbsp 称为 ℓ displaystyle ell nbsp 和 m displaystyle m nbsp 的球谐函数 以上推导过程中 i displaystyle i nbsp 是虛數單位 P ℓ m displaystyle P ell m nbsp 是伴随勒让德多项式 其中P ℓ m x displaystyle P ell m x nbsp 用方程式定義為 P ℓ m x 1 x 2 m 2 d m d x m P ℓ x displaystyle P ell m x 1 x 2 m 2 frac d m dx m P ell x nbsp 而 P ℓ x displaystyle P ell x nbsp 是 l displaystyle l nbsp 階勒讓德多項式 可用羅德里格公式表示為 P ℓ x 1 2 ℓ ℓ d ℓ d x ℓ x 2 1 l displaystyle P ell x 1 over 2 ell ell d ell over dx ell x 2 1 l nbsp 前几阶球谐函数 编辑主条目 球谐函数表 l displaystyle l nbsp m displaystyle m nbsp F f displaystyle Phi varphi nbsp 8 8 displaystyle Theta theta nbsp 極坐標中的表達式 直角坐標中的表達式 量子力學中的記号0 0 1 2 p displaystyle frac 1 sqrt 2 pi nbsp 1 2 displaystyle frac 1 sqrt 2 nbsp 1 2 p displaystyle frac 1 2 sqrt pi nbsp 1 2 p displaystyle frac 1 2 sqrt pi nbsp s displaystyle mbox s nbsp 1 0 1 2 p displaystyle frac 1 sqrt 2 pi nbsp 3 2 cos 8 displaystyle sqrt frac 3 2 cos theta nbsp 1 2 3 p cos 8 displaystyle frac 1 2 sqrt frac 3 pi cos theta nbsp 1 2 3 p z r displaystyle frac 1 2 sqrt frac 3 pi frac z r nbsp p z displaystyle mbox p z nbsp 1 1 1 2 p exp i f displaystyle frac 1 sqrt 2 pi exp i varphi nbsp 3 2 sin 8 displaystyle frac sqrt 3 2 sin theta nbsp displaystyle Bigg nbsp 1 2 3 p sin 8 cos f displaystyle frac 1 2 sqrt frac 3 pi sin theta cos varphi nbsp 1 2 3 p x r displaystyle frac 1 2 sqrt frac 3 pi frac x r nbsp p x displaystyle mbox p x nbsp 1 1 1 2 p exp i f displaystyle frac 1 sqrt 2 pi exp i varphi nbsp 3 2 sin 8 displaystyle frac sqrt 3 2 sin theta nbsp 1 2 3 p sin 8 sin f displaystyle frac 1 2 sqrt frac 3 pi sin theta sin varphi nbsp 1 2 3 p y r displaystyle frac 1 2 sqrt frac 3 pi frac y r nbsp p y displaystyle mbox p y nbsp 2 0 1 2 p displaystyle frac 1 sqrt 2 pi nbsp 1 2 5 2 3 cos 2 8 1 displaystyle frac 1 2 sqrt frac 5 2 3 cos 2 theta 1 nbsp 1 4 5 p 3 cos 2 8 1 displaystyle frac 1 4 sqrt frac 5 pi 3 cos 2 theta 1 nbsp 1 4 5 p 2 z 2 x 2 y 2 r 2 displaystyle frac 1 4 sqrt frac 5 pi frac 2z 2 x 2 y 2 r 2 nbsp d 3 z 2 r 2 displaystyle mbox d 3z 2 r 2 nbsp 2 1 1 2 p exp i f displaystyle frac 1 sqrt 2 pi exp i varphi nbsp 15 2 sin 8 cos 8 displaystyle frac sqrt 15 2 sin theta cos theta nbsp displaystyle Bigg nbsp 1 2 15 p sin 8 cos 8 cos f displaystyle frac 1 2 sqrt frac 15 pi sin theta cos theta cos varphi nbsp 1 2 15 p z x r 2 displaystyle frac 1 2 sqrt frac 15 pi frac zx r 2 nbsp d z x displaystyle mbox d zx nbsp 2 1 1 2 p exp i f displaystyle frac 1 sqrt 2 pi exp i varphi nbsp 15 2 sin 8 cos 8 displaystyle frac sqrt 15 2 sin theta cos theta nbsp 1 2 15 p sin 8 cos 8 sin f displaystyle frac 1 2 sqrt frac 15 pi sin theta cos theta sin varphi nbsp 1 2 15 p y z r 2 displaystyle frac 1 2 sqrt frac 15 pi frac yz r 2 nbsp d y z displaystyle mbox d yz nbsp 2 2 1 2 p exp 2 i f displaystyle frac 1 sqrt 2 pi exp 2i varphi nbsp 15 4 sin 2 8 displaystyle frac sqrt 15 4 sin 2 theta nbsp displaystyle Bigg nbsp 1 4 15 p sin 2 8 cos 2 f displaystyle frac 1 4 sqrt frac 15 pi sin 2 theta cos 2 varphi nbsp 1 4 15 p x 2 y 2 r 2 displaystyle frac 1 4 sqrt frac 15 pi frac x 2 y 2 r 2 nbsp d x 2 y 2 displaystyle mbox d x 2 y 2 nbsp 2 2 1 2 p exp 2 i f displaystyle frac 1 sqrt 2 pi exp 2i varphi nbsp 15 4 sin 2 8 displaystyle frac sqrt 15 4 sin 2 theta nbsp 1 4 15 p sin 2 8 sin 2 f displaystyle frac 1 4 sqrt frac 15 pi sin 2 theta sin 2 varphi nbsp 1 2 15 p x y r 2 displaystyle frac 1 2 sqrt frac 15 pi frac xy r 2 nbsp d x y displaystyle mbox d xy nbsp 3 0 1 2 p displaystyle frac 1 sqrt 2 pi nbsp 1 2 7 2 5 cos 3 8 3 cos 8 displaystyle frac 1 2 sqrt frac 7 2 5 cos 3 theta 3 cos theta nbsp 1 4 7 p 5 cos 3 8 3 cos 8 displaystyle frac 1 4 sqrt frac 7 pi 5 cos 3 theta 3 cos theta nbsp 1 4 7 p z 2 z 2 3 x 2 3 y 2 r 3 displaystyle frac 1 4 sqrt frac 7 pi frac z 2z 2 3x 2 3y 2 r 3 nbsp f z 5 z 2 3 r 2 displaystyle mbox f z 5z 2 3r 2 nbsp 3 1 1 2 p exp i f displaystyle frac 1 sqrt 2 pi exp i varphi nbsp 1 4 21 2 5 cos 2 8 1 sin 8 displaystyle frac 1 4 sqrt frac 21 2 5 cos 2 theta 1 sin theta nbsp displaystyle Bigg nbsp 1 4 21 2 p 5 cos 2 8 1 sin 8 cos f displaystyle frac 1 4 sqrt frac 21 2 pi 5 cos 2 theta 1 sin theta cos varphi nbsp 1 4 21 2 p x 5 z 2 r 2 r 3 displaystyle frac 1 4 sqrt frac 21 2 pi frac x 5z 2 r 2 r 3 nbsp f x 5 z 2 r 2 displaystyle mbox f x 5z 2 r 2 nbsp 3 1 1 2 p exp i f displaystyle frac 1 sqrt 2 pi exp i varphi nbsp 1 4 21 2 5 cos 2 8 1 sin 8 displaystyle frac 1 4 sqrt frac 21 2 5 cos 2 theta 1 sin theta nbsp 1 4 21 2 p 5 cos 2 8 1 sin 8 sin f displaystyle frac 1 4 sqrt frac 21 2 pi 5 cos 2 theta 1 sin theta sin varphi nbsp 1 4 21 2 p y 5 z 2 r 2 r 3 displaystyle frac 1 4 sqrt frac 21 2 pi frac y 5z 2 r 2 r 3 nbsp f y 5 z 2 r 2 displaystyle mbox f y 5z 2 r 2 nbsp 3 2 1 2 p exp 2 i f displaystyle frac 1 sqrt 2 pi exp 2i varphi nbsp 105 4 cos 8 sin 2 8 displaystyle frac sqrt 105 4 cos theta sin 2 theta nbsp displaystyle Bigg nbsp 1 4 105 p cos 8 sin 2 8 cos 2 f displaystyle frac 1 4 sqrt frac 105 pi cos theta sin 2 theta cos 2 varphi nbsp 1 4 105 p z x 2 y 2 r 3 displaystyle frac 1 4 sqrt frac 105 pi frac z x 2 y 2 r 3 nbsp f z x 2 y 2 displaystyle mbox f z x 2 y 2 nbsp 3 2 1 2 p exp 2 i f displaystyle frac 1 sqrt 2 pi exp 2i varphi nbsp 105 4 cos 8 sin 2 8 displaystyle frac sqrt 105 4 cos theta sin 2 theta nbsp 1 4 105 p cos 8 sin 2 8 sin 2 f displaystyle frac 1 4 sqrt frac 105 pi cos theta sin 2 theta sin 2 varphi nbsp 1 2 105 p x y z r 3 displaystyle frac 1 2 sqrt frac 105 pi frac xyz r 3 nbsp f x y z displaystyle mbox f xyz nbsp 3 3 1 2 p exp 3 i f displaystyle frac 1 sqrt 2 pi exp 3i varphi nbsp 1 4 35 2 sin 3 8 displaystyle frac 1 4 sqrt frac 35 2 sin 3 theta nbsp displaystyle Bigg nbsp 1 4 35 2 p sin 3 8 cos 3 f displaystyle frac 1 4 sqrt frac 35 2 pi sin 3 theta cos 3 varphi nbsp 1 4 35 2 p x x 2 3 y 2 r 3 displaystyle frac 1 4 sqrt frac 35 2 pi frac x x 2 3y 2 r 3 nbsp f x x 2 3 y 2 displaystyle mbox f x x 2 3y 2 nbsp 3 3 1 2 p exp 3 i f displaystyle frac 1 sqrt 2 pi exp 3i varphi nbsp 1 4 35 2 sin 3 8 displaystyle frac 1 4 sqrt frac 35 2 sin 3 theta nbsp 1 4 35 2 p sin 3 8 sin 3 f displaystyle frac 1 4 sqrt frac 35 2 pi sin 3 theta sin 3 varphi nbsp 1 4 35 2 p y 3 x 2 y 2 r 3 displaystyle frac 1 4 sqrt frac 35 2 pi frac y 3x 2 y 2 r 3 nbsp f y 3 x 2 y 2 displaystyle mbox f y 3x 2 y 2 nbsp l 0 displaystyle l 0 nbsp Y 0 0 8 f 1 2 1 p displaystyle Y 0 0 theta varphi 1 over 2 sqrt 1 over pi nbsp l 1 displaystyle l 1 nbsp Y 1 1 8 f 1 2 3 2 p sin 8 e i f displaystyle Y 1 1 theta varphi 1 over 2 sqrt 3 over 2 pi sin theta e i varphi nbsp Y 1 0 8 f 1 2 3 p cos 8 displaystyle Y 1 0 theta varphi 1 over 2 sqrt 3 over pi cos theta nbsp Y 1 1 8 f 1 2 3 2 p sin 8 e i f displaystyle Y 1 1 theta varphi 1 over 2 sqrt 3 over 2 pi sin theta e i varphi nbsp l 2 displaystyle l 2 nbsp Y 2 2 8 f 1 4 15 2 p sin 2 8 e 2 i f displaystyle Y 2 2 theta varphi 1 over 4 sqrt 15 over 2 pi sin 2 theta e 2i varphi nbsp Y 2 1 8 f 1 2 15 2 p sin 8 cos 8 e i f displaystyle Y 2 1 theta varphi 1 over 2 sqrt 15 over 2 pi sin theta cos theta e i varphi nbsp Y 2 0 8 f 1 4 5 p 3 cos 2 8 1 displaystyle Y 2 0 theta varphi 1 over 4 sqrt 5 over pi 3 cos 2 theta 1 nbsp Y 2 1 8 f 1 2 15 2 p sin 8 cos 8 e i f displaystyle Y 2 1 theta varphi 1 over 2 sqrt 15 over 2 pi sin theta cos theta e i varphi nbsp Y 2 2 8 f 1 4 15 2 p sin 2 8 e 2 i f displaystyle Y 2 2 theta varphi 1 over 4 sqrt 15 over 2 pi sin 2 theta e 2i varphi nbsp 参见 编辑勒让德多项式 伴随勒让德多项式 施图姆 刘维尔理论 柱谐函数 向量球諧函數 取自 https zh wikipedia org w index php title 球谐函数 amp oldid 51244965, 维基百科,wiki,书籍,书籍,图书馆,

文章

,阅读,下载,免费,免费下载,mp3,视频,mp4,3gp, jpg,jpeg,gif,png,图片,音乐,歌曲,电影,书籍,游戏,游戏。